基于Lorenz-Mie理论的微粒散射光空间偏振分布研究

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微粒散射技术作为经典的探测手段之一,已经在气象学,海洋学,生物医学和环境学等多个领域有着广泛的应用。通过对微粒散射光的偏振态空间分布特性进行研究,可以得到微粒更加丰富的特性信息,是微粒散射理论与实用光散射技术的重要发展趋势之一。本文主要工作如下:对云层微水滴和水中微小油滴这两类散射场景进行建模和计算,讨论了各个输入参数对散射结果的影响,并基于传统的偏振态表征方法与前人对散射光偏振态表征的经验,总结了一套适用于散射问题的偏振态空间分布的表征方法。此外,针对散射光束范围对探测结果的影响,本文引入了立体角这一参数来度量被探测面截取到的散射光束范围,给出了探测面获得的总偏振态与散射光束范围之间的对应关系和总偏振态的数值计算方法,并讨论了散射光束范围对探测结果的影响。通过以上对微粒散射空间偏振分布的研究,对于平面波轴入射下的球形微粒和椭球形微粒的光散射,本文得到了如下结论:(1)在输入参数确定的情况下,微粒散射光的偏振态在空间中的具体分布由散射角和方位角共同决定。其中散射角起主导作用,决定散射光两个正交电矢量之间的振幅和相位关系,而方位角起辅助作用,对两个正交电矢量的振幅进行再调节,最终使得散射光的偏振态随空间位置的变化而变化。(2)椭球形微粒的长短轴比的变化将改变微粒边界的曲率分布,从而使散射光偏振态的分布随之变化。球形微粒直径的增大将降低散射光偏振态随散射角变化的剧烈程度。球形微粒折射率的增大将增大散射光偏振态空间分布的不均匀性,使前向散射区的退偏比增大。入射光波长的增大不仅使散射光的光强整体增大,还会弱化前向散射区散射光偏振态的波动情况。(3)探测面截取的散射光束范围的增大将使接收到的散射光的四个斯托克斯矢量分量随散射角的波动程度减小。这意味着探测面参数选取不当将导致微粒的部分特征信息被掩盖。
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